Ιόνιο Πανεπιστήμιο Τμήμα Πληροφορικής Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών 2019-20 Εισαγωγή στους Υπολογιστές (αρχές λειτουργίας και τεχνολογία) Σχετικά με το μάθημα Ενότητες μαθήματος Αρχές λειτουργίας υπολογιστών Υλικό (hardware) ) Αρχιτεκτονική Η/Υ Αλγόριθμοι Χειρισμός Δομές Λογισμικό (software) ) htt://mxstef.gthub.o/courses/cstro/ Μ.Στεφανιδάκης Βιβλία για το μάθημα Be) hrouz A. Forouza, Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών, ΚΛΕΙΔΑΡΙΘΜΟΣ, 2015. Adre) w M. Lste) r, Εισαγωγή στη Σύγχρονη Επιστήμη των Υπολογιστών, ΔΙΑΥΛΟΣ, 2000. Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 2 Ο «Υπολογιστής» Η «μνήμη» Τι σχέση έχει... το face) book το gamg ένα αυτοκίνητο με το διπλανό σχήμα σύστημα επεξεργασίας Ο «Υπολογιστής» μετασχηματίζει σε, βάσει ενός προγράμματος Στην πραγματικότητα το σύστημα μνήμης είναι μια ιεραρχία συστημάτων επεξεργασία «μνήμη» αποθήκευση Τα και αποθηκεύονται στη «μνήμη» Μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην επόμενη φάση επεξεργασίας Και το πού βρίσκεται αποθηκευμένο Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 3 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 4
Το μοντέλο vo Ne) uma Το! Η καινοτομία (την εποχή των πρώτων υπολογιστών): το είναι! μονάδα επεξεργασία Μνήμη «Υπολογιστής αποθηκευμένου προγράμματος» Το (εντολές( εντολές) ) αποθηκεύεται μαζί με τα στη μνήμη! Η εντολή μηχανής διαφέρει από τις εντολές υψηλού επιπέδου των γλωσσών προγραμματισμού Κάθε εντολή μιας γλώσσας προγραμματισμού μεταφράζεται (μεταγλωττίζεται) σε πολλές εντολές μηχανής! Είναι ένα σύνολο «οδηγιών» Περιγράφει το είδος της επεξεργασίας των Κάθε «οδηγία» ονομάζεται εντολή μηχανής εκτελεί μια μικρή, αυτοτελή λειτουργία το () αποτελείται από πολλές εντολές μηχανής Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 5 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 6 Εντολή Μηχανής Χρονισμός συστήματος Θα μπορούσε να υλοποιηθεί ένα χρήσιμο εάν δεν υπήρχαν εντολές διακλάδωσης Mache) Istructo Μικρή λειτουργία χειρισμού μεταφορά από/προς μνήμη αριθμητική πράξη μεταξύ δύο αριθμών έλεγχος αν ένας αριθμός είναι μηδέν... κ.ο.κ Οι εντολές μηχανής εκτελούνται σειριακά Η μια μετά την άλλη από την επόμενη θέση μνήμης Εξαίρεση: εντολές διακλάδωσης Εάν μια συνθήκη είναι αληθής, τότε μεταφορά της εκτέλεσης σε διαφορετικό σημείο του προγράμματος (όχι από την επόμενη θέση μνήμης) Αγγλική ορολογία: εντολές brach ή jum! Το σχήμα συμπληρώνεται με τις μονάδες -, για επικοινωνία με τον έξω κόσμο ρολόι (clock) μονάδα επεξεργασία υπολογιστικό σύστημα Μνήμη Χρονισμός μέσω ενός σήματος ρολογιού Ο «παλμός» του υπολογιστικού συστήματος Καθορίζει την έναρξη της επόμενης λειτουργίας Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 7 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 8
Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ) Τι περιέχει το μονοπάτι Τι σημαίνει όταν λέμε ότι ένας επεξεργαστής είναι 32-bt ή 64-bt Πώς σχετίζεται με το διπλανό σχήμα Cetral Processg Ut (CPU) ρολόι (clock) μονάδα «μονοπάτι» «Μονοπάτι» (ή «διαδρομή») (dataath) Εκτέλεση πράξεων Μονάδα (cotrol ut) Επιλογή πράξης σύμφωνα με κάθε εντολή Οι καταχωρητές παρέχουν τα κατά την εκτέλεση των πράξεων. Στους καταχωρητές αποθηκεύονται επίσης τα αποτελέσματα των πράξεων. Cetral Processg Ut (CPU) ρολόι (clock) μονάδα καταχωρητές εκτέλεση πράξεων Καταχωρητές (re) gste) rs) Θέσεις προσωρινής αποθήκευσης, γρήγορης προσπέλασης (περιορισμένος αριθμός: 16, 32 ή 64) Μονάδες εκτέλεσης αριθμητικών (και άλλων) πράξεων Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 9 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 10 Εκτέλεση εντολών: ο κύκλος μηχανής Σε ποια μορφή αποθηκεύονται τα 2. Decode: Αποκωδικοποίησε την εντολή (προετοίμασε τα σήματα και τις πηγές των ) μονάδα ρολόι (clock) Και η μεταφορά από/προς μνήμη Σε ποια φάση εκτελείται 4. Store: Αποθήκευσε καταχωρητές τα αποτελέσματα (εάν απαιτείται) 3. Execute: Εκτέλεσε την απαιτούμενη πράξη/λειτουργία 1. Fetch: Φέρε την επόμενη προς εκτέλεση εντολή από τη μνήμη Στη μνήμη και στους καταχωρητές Στις μονάδες εκτέλεσης πράξεων Απάντηση: σε δυαδική μορφή! Ακολουθίες από 0 και 1 ή αλλιώς ON/OFF, Αληθές/Ψευδές κ.ο.κ. Ισχύει για κάθε είδους Ακόμα και για μη αριθμητικά : κείμενο, εικόνα, ήχο... Και οι εντολές του υπολογιστή επίσης! Γιατί σε δυαδική μορφή Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 11 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 12
Η τρέχουσα τεχνολογία των υπολογιστών Γιατί ψηφιακή τεχνολογία Ηλεκτρονική Τα στοιχεία που συγκροτούν τους υπολογιστές λειτουργούν με στάθμες τάσης ή φορά ρεύματος Υλοποίηση με ημιαγωγούς Ψηφιακή Οι επιτρεπόμενες τιμές ανήκουν σε διακριτές στάθμες Δυαδική Δύο στάθμες, ON ή OFF, 0 ή 1 Τα στοιχεία που συγκροτούν τους υπολογιστές υλοποιούν διακοπτικές λειτουργίες (ανοικτό-( κλειστό) Τι θα συνέβαινε μεταξύ δύο αναλογικών τμημάτων (με συνεχές πεδίο τιμών) ψηφιακό στοιχείο Ηλεκτρονικός Θόρυβος ψηφιακό στοιχείο Δυνατότητα αναγέννησης του αρχικού σήματος Όσο η παραμόρφωση δεν υπερβαίνει κάποια όρια Όσο λιγότερες στάθμες επιτρέπονται, τόσο τα επιτρεπτά όρια διακύμανσης είναι μεγαλύτερα Πλεονέκτημα της δυαδικής τεχνολογίας Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 13 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 14 Στα πρώτα ολοκληρωμένα λογικά κυκλώματα η τάση τροφοδοσίας ήταν >15V ενώ σήμερα βρίσκεται γύρω στο 1V Στάθμες ψηφιακού σήματος Δυαδική λογική 2 στάθμες V+ V- V+ και V- (π.χ. 5V και 0V) «Τροφοδοσία» και «γείωση» Αναπαριστούν το λογικό 1 και 0 αντίστοιχα Κυματομορφές Η στάθμη τάσης σε ένα σημείο του κυκλώματος στην εξέλιξη του χρόνου ιδανικά Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 15 T στην πραγματικότητα... Το τρανζίστορ αυτό είναι τύπου NMOS. Υπάρχει και το συμπληρωματικό PMOS. Γιατί δυαδική τεχνολογία πηγή (source) υπόστρωμα (body) πύλη (gate) + + καταβόθρα (dra) Το τρανζίστορ MOSFET Ο μικροσκοπικός διακόπτης των σύγχρονων κυκλωμάτων Η θεωρία λειτουργίας του είναι γνωστή από το 1925...αλλά τα πρώτα λειτουργικά κυκλώματα κατασκευάστηκαν τη δεκαετία του 60 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 16 - κανάλι (chael)
Ημιαγωγοί σε δύο διαφάνειες! Ημιαγωγοί Στοιχεία με κρυσταλλική δομή (πυρίτιο, γερμάνιο...) Μεταξύ αγωγών και μονωτών Σε θερμοκρασία δωματίου και καθαρή μορφή: όχι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού Προσμίξεις με ακάθαρτα υλικά (murte) s) Dog Προσθήκη ελεύθερων ηλεκτρονίων (doors) -tye) Προσθήκη οπών (acce) tors) απουσία ηλεκτρονίων -tye) Τα χαρακτηριστικά αγωγιμότητας αλλάζουν! + + - + - Ημιαγωγοί σε δύο διαφάνειες! + - - + - + - + + - + - + + - - Το ενδιαφέρον σημείο (επαφής) Όταν ενώνονται ημιαγωγοί -tye) και -tye) Στο σημείο επαφής: κατάσταση ισορροπίας μετά από την αρχική μετακίνηση ηλεκτρονίων στο - tye), περαιτέρω ηλεκτρόνια απωθούνται Με ορθή πόλωση, και άλλα ηλεκτρόνια μπορούν να υπερπηδήσουν το εμπόδιο και να φτάσουν στο - tye), οπότε παρατηρείται ροή ρεύματος Με ανάστροφη πόλωση, νέα ηλεκτρόνια δεν έχουν την ευκαιρία να φτάσουν στο -tye), οπότε δεν ρέει ρεύμα μέσω της επαφής την ανάστροφη πόλωση εκμεταλλεύονται τα ηλεκτρονικά ψηφιακά κυκλώματα των υπολογιστών Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 17 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 18 Λειτουργία του τρανζίστορ MOS(FET) Η συρρίκνωση του τρανζίστορ Το τρανζίστορ σήμερα είναι διαφορετικό (με πτερύγια fs) για να λειτουργεί σωστά σε πολύ μικρές διαστάσεις! V+ - V- V+ αγώγιμο κανάλι V- Ένας σύγχρονος επεξεργαστής μπορεί να περιέχει πάνω από 1 δις τρανζίστορ σε μία επιφάνεια 280mm 2 Πλεονεκτήματα Ταχύτερη λειτουργία Πιο γρήγοροι χρόνοι ON-OFF Μικρότερη κατανάλωση ενέργειας Για τον ίδιο αριθμό τρανζίστορ! Μεγαλύτερη ολοκλήρωση Μείωση κόστους παραγωγής και αύξηση λειτουργικότητας Τρέχουσα εμπορική τεχνολογία: «7-10m» (όρος marke) tg, παλαιότερα συμβόλιζε το εύρος της πύλης του τρανζίστορ) Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 19 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 20
Το (μικρο)τσιπ Κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Επίσημος όρος: Ολοκληρωμένο κύκλωμα Ite) grate) d Crcut (IC) mcro(ch) όλα τα στοιχεία συνδυάζονται στο ίδιο υπόστρωμα πυριτίου. Τρανζίστορ, αγωγοί Πυκνωτές, αντιστάσεις Itel P4 rocessor mcroch (2005) 169 εκ. τρανζίστορ 90m Νόμος του Moore) (εμπειρικός) ο αριθμός των τρανζίστορ ανά ολοκληρωμένο κύκλωμα διπλασιάζεται κάθε 1,5-2 χρόνια Λόγω της απαιτούμενης ακρίβειας, μια γραμμή παραγωγής κοστίζει δισ. $ Γραμμές παραγωγής Φωτολιθογραφία με μάσκες Επικάλυψη με ειδικό φωτοανθεκτικό υλικό (hotore) sst) Έκθεση σε υπεριώδες φως (με το ανάλογο μήκος κύματος) Μέσω μιας μάσκας που επιλέγει τις περιοχές επεξεργασίας Απομάκρυνση hotre) sst από επιλεγμένες περιοχές, αφήνοντας εκτεθειμένα τα μέρη προς επεξεργασία Διεργασίες στα εκτεθειμένα μέρη Οξείδωση, απόξεση, απόθεση μετάλλου, εμφύτευση ιόντων... Ταυτόχρονα σε εκατομμύρια τρανζίστορ! Επανάληψη Από το βήμα της μάσκας Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 21 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 22 Η αρχική επιφάνεια Εφαρμογή hotore) sst και μάσκας SO - μονωτής 2 εκτεθειμένο τμήμα μάσκα φωτολιθογραφίας Ένα λεπτό επίπεδο SO 2 σχηματίζεται με οξείδωση σε 1000 ο C -e πολύ καθαρό πυρίτιο Η μάσκα της φωτολιθογραφίας είναι διαφορετική ανά βήμα επεξεργασίας (ανάλογα με το επιθυμητό σχήμα). επικάλυψη με hotoresst υπόστρωμα πυριτίου Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 23 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 24
Εφαρμογή υπεριώδους ακτινοβολίας Μετά την απόξεση Στα μέρη που μένουν εκτεθειμένα, μετά την υπεριώδη ακτινοβολία το hotore) sst γίνεται εύπλαστο. Στη συνέχεια αφαιρείται με χημικό τρόπο, αφήνοντας εκτεθειμένα μέρη για το επόμενο βήμα κατεργασίας. Στα μέρη που μένουν εκτεθειμένα εφαρμόζεται διαδικασία απόξεσης με τη βοήθεια οξέων. Στη συνέχεια η επιφάνεια καθαρίζεται με απιονισμένο νερό και στεγνώνει με άζωτο. Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 25 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 26 Απόθεση νέων στρωμάτων SO 2 Dog Υπόστρωμα τρανζίστορ Πριν το βήμα αυτό έχει προηγηθεί πάλι η εφαρμογή hotore) sst και μάσκας! Στο εξής η εφαρμογή μάσκας θα εννοείται πριν κάθε νέο βήμα. SO 2 μονωτής για το διαχωρισμό των τρανζίστορ Μέσω της εμφύτευσης με τη βοήθεια μιας δέσμης ιόντων, αλλάζει ο τύπος του ημιαγωγού της περιοχής κάτω από το λεπτό στρώμα οξειδίου σχηματίζοντας το υπόστρωμα των τρανζίστορ NMOS (dog) εμφύτευση ιόντων υπόστρωμα Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 27 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 28
Dog Υπόστρωμα τρανζίστορ Εναπόθεση olyslco εμφύτευση ιόντων olyslco Μέσω της εμφύτευσης με τη βοήθεια μιας δέσμης ιόντων, αλλάζει ο τύπος του ημιαγωγού της περιοχής κάτω από το λεπτό στρώμα οξειδίου σχηματίζοντας το υπόστρωμα των τρανζίστορ PMOS (dog) υπόστρωμα υπόστρωμα Ένα σχήμα olyslco εναποτίθεται χημικά με την κυκλοφορία αερίου μίγματος πάνω από την επιφάνεια πυριτίου θερμαινόμενη στους 650 ο C. Το σχήμα σχηματίζει τις πύλες των τρανζίστορ και τη μεταξύ τους διασύνδεση. Θα ακολουθήσει dog για να αυξηθεί η αγωγιμότητά του. Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 29 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 30 Dog πηγής και καταβόθρας τρανζίστορ Dog πηγής και καταβόθρας τρανζίστορ Στη συνέχεια σχηματίζονται οι πηγές και καταβόθρες των τρανζίστορ ανάλογα με τον τύπο τους (NMOS ή PMOS) με εμφύτευση ιόντων. Δημιουργία των σημείων επαφής για τους αγωγούς διασύνδεσης. υπόστρωμα Στη συνέχεια σχηματίζονται οι πηγές και καταβόθρες των τρανζίστορ ανάλογα με τον τύπο τους (NMOS ή PMOS) με εμφύτευση ιόντων. Δημιουργία των σημείων επαφής για τους αγωγούς διασύνδεσης. υπόστρωμα υπόστρωμα υπόστρωμα Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 31 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 32
Πρώτο επίπεδο μεταλικών συνδέσεων Διαδικασία παραγωγής Τα επίπεδα μετάλλου δημιουργούνται με εξάχνωση του μεταλλικού υλικού σε κενό υπό την επίδραση δέσμης ηλεκτρονίων. υπόστρωμα μεταλλικές επαφές υπόστρωμα Στην πραγματικότητα Οι δημιουργούμενες επιφάνειες δεν είναι απόλυτα επίπεδες ούτε έχουν κάθετες γωνίες τα χαρακτηριστικά είναι πιο ακανόνιστα Οι αναλογίες διαστάσεων είναι διαφορετικές ειδικά μελετημένες για την επιθυμητή ροή ηλεκτρονίων Τα επίπεδα μετάλλου είναι πολύ περισσότερα καταλαμβάνουν μεγάλο μέρος του ολοκληρωμένου κυκλώματος Τα βήματα κατασκευής είναι πολύ περισσότερα (40+) από την απλουστευμένη εικόνα που είδαμε οι δομές που κατασκευάζονται είναι πολυπλοκότερες Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 33 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υπολογιστών Εισαγωγή στους Υπολογιστές 34